摘要:神经电刺激和记录装置正在被广泛地运用在诸多领域,如脑机接口和神经检测体等。通过它们的探讨能帮助人们更加深入地理解神经系统,并且能够使有神经系统缺陷的患者恢复一定的运动或感知能力。植入式神经装置的快速进展需要有更加先进的电极制备技术来保证电极在长期植入历程中的可靠性,这是本世纪面对的一个重大的科学挑战之一。然而,目前有两个不足严重阻碍着植入式神经装置的临床运用:一个是神经电极的电化学性能;另一个是由于组织反应造成的电极性能的下降。本论文的主要工作是进展具有较好电化学性能和生物相容性的神经电极以及电极/神经界面。主要探讨内容如下:1、采取有效、可靠的电化学策略,在Na2HPO4溶液中通过不对称脉冲对铱电极进行氧化,制备了活化氧化铱电极(AIROF)。这种活化氧化铱电极具有非常高的安全电荷注入密度(Qinj,~4.1 mC/cm2),以及非常优异的机械和电化学稳定性。并且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比活化前降低了~92%。由此,这种活化氧化铱电极非常适合在神经电刺激和记录装置中利用。然而,由于金属铱非常坚硬,并且延展性差,不宜加工成型,难以实线电极的阵列化,由此在铱基体上活化氧化铱不是一种非常理想的策略。另一种更加简单、可行的策略是电化学沉积法。这种电沉积的氧化铱电极(EIROF)具有较高的安全电荷注入密度(~2.6 mC/cm2),以及较好的机械和电化学稳定性。并且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比于电沉积前降低了~92%。此外,电极在非常宽的pH范围(1~13)内具有较好的超能斯特响应。这种电沉积技术可以和薄膜技术以及微机电系统(MEMS)联用,有利于神经电极的微型化进展。2.进展新的电极材料和电极修饰技术对于提升植入式神经装置性能的长期稳定是十分重要的。为此,我们探讨了采取电化学策略共沉积聚吡咯和单壁碳纳米管(PPy/SWCNT)来增强电极/神经界面的策略。这种PPy/SWCNT复合电极的安全电荷注入密度达到了~7.5 mC/cm2,并且在1 kHz时具有非常低的界面阻抗以及很好的稳定性。通过大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤(PC12细胞)的钙黄绿素染色和扫描电子显微镜(SEM)观察,发现了细胞在PPy/SWCNT复合材料上具有较好的贴附和突触分化、生长。此外,本论文还通过六周的植入实验探讨了材料在大鼠大脑的免疫组化情况。结果发现,相对于铂植入体(n=8)来说,在修饰了PPy/SWCNT后的植入体(n=11)周围100μm的范围内,组织的胶质纤维酸性蛋白(Gpal Fibrillary Acidic Protein, GFAP)表达要显著较轻,而神经元特异性核蛋白(Neuronal Nuclei, NeuN)要显著较强,且均有显著性差别(P0.05)。这说明了这种PPy/SWCNT非常适合作为长期植入的高电荷注入密度的神经电极材料。更重要的是,这种策略可以和其他的修饰技术联用,构建更加理想的电极/神经界面。3.阻碍神经装置运用的一个重大难题是长期植入后由于生物相容性不佳而引起的装置性能的衰退。本论文探讨了采取水凝胶涂层来对神经电极进行修饰,以而改善电极/神经界面的策略。我们根据需要合成了聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAA)、聚氨酯(PU)和聚乙烯醇/聚氨酯(PVA/PU)几类水凝胶材料,通过等离子体处理技术将它们分别修饰在基于聚甲氧基硅氧烷(PDMS)的神经电极表面。比较修饰前后的氧化铱电极,电化学交流阻抗(EIS)和最大安全电荷注入密度的变化非常小。材料表面的非特异蛋白吸附量相对于PDMS来说下降了85%~92%。并且在神经生长因子(NGF)的作用下,材料上PC12细胞的生长和分化情况要显著优于PDMS。此外,经过六周的植入实验发现,相对于PDMS植入体来说,采取水凝胶修饰的植入体周围的GFAP表达更轻,NeuN表达更强,并且这一结果在植入体周围很大的范围内都具有统计学差别(P0.05)。这些都说明了采取水凝胶修饰是一种简单、有效的改善电极/神经界面的策略。关键词:神经电极论文电极/神经界面论文氧化铱论文碳纳米管论文水凝胶论文生物相容性涂层论文
摘要7-9
ABSTRACT9-20
第一章 绪论20-63
1.植入式神经检测体的探讨作用20-21
2.植入式神经检测体的进展和挑战21-26
2.1 植入式神经检测体的进展21-23
2.2 植入式神经检测体的结构和原理23-24
2.3 植入式神经检测体遇到的挑战24-26
3.植入式神经电极26-47
3.1 植入式神经电极和神经界面26-29
3.2 植入式神经电极的结构和用途29-34
3.3 植入式神经电极界面的电荷传递34-38
3.3.1 电容性机理34-36
3.3.2 法拉第机理36-38
3.4 植入式神经电极遇到的不足和解决案例38-47
3.4.1 电极的电化学不足39-44
3.4.2 电极的生物相容性不足44-47
4.本论文的探讨目的和内容47-50
741.引言134-136
2.实验部分136-146
2.1 实验主要试剂和仪器136-138
2.2 实验的前期准备138-139
2.2.1 铂电极的制备138
2.2.2 生物实验样品准备138-139
2.3 碳纳米管的官能团化139
2.3.1 碳纳米管的羧基化139
2.3.2 碳纳米管的氨基化139
2.4 碳纳米管的红外浅析139
2.5 碳纳米管的电沉积139-141
2.5.1 羧基化碳纳米管的电沉积139-140
2.5.2 氨基化碳纳米管的电沉积140
2.5.3 碳纳米管和导电聚合物的共沉积140-141
2.6 循环伏安测试141-142
2.7 最大安全注入电荷密度142
2.8 电化学交流阻抗测试142
2.9 扫描电子显微镜142
2.10 电极的电化学稳定性142
2.11 细胞培养实验142-144
2.11.1 细胞培养142-143
2.11.2 扫描电子显微镜观察143
2.11.3 荧光染色观察143-144
2.12 免疫组化实验144-146
2.12.1 植入手术144
2.12.2 免疫组化实验144
2.12.3 统计学浅析144-146
3. 结果和讨论146-168
3.1 羧基化碳纳米管的电沉积146-147
3.2 季铵化碳纳米管的电沉积147-154
3.2.1 碳纳米管的季铵化147-148
3.2.2 循环伏安测试148-149
3.2.3 最大安全注入电荷密度149
3.2.4 电化学交流阻抗149-152
3.2.5 扫描电镜照片152-153
3.2.6 电化学稳定性153-154
3.3 导电聚合物/碳纳米管复合电极154-168
3.3.1 电沉积历程154
3.3.2 循环伏安测试154-155
3.3.3 电化学阻抗155-159
3.3.4 最大安全注入电荷密度159-160
3.3.5 扫描电子显微镜照片160-161
3.3.6 稳定性161-163
3.3.7 PC12细胞培养163-166
3.3.8 免疫组化166-168
4.结论168-169
化实验2112.10.3 统计学浅析211-212
3.结果和讨论212-225
3.1 红外浅析212-213
3.2 溶胀率213-214
3.3 本体离子电导率214-215
3.4 循环伏安215-217
3.5 电化学阻抗217-218
3.6 最大安全注入电荷密度218-219
3.7 蛋白吸附219-220
3.8 细胞培养220-221
3.9 免疫组化221-225
4.结论225-226